日晕呈现圆形主要是由太阳光在高空六边形冰晶中的折射规律以及冰晶的随机取向共同决定的。核心在于最小偏向角的存在和光线路径的对称性。以下是详细的物理学解析：
关键物理原理：最小偏向角
冰晶结构：
- 形成日晕（尤其是22°晕）的冰晶通常为正六边形棱柱（截面为正六边形）。
- 光线从棱柱的一个侧面射入，从另一个侧面射出（路径类似通过一个60°顶角的棱镜）。
折射定律与最小偏向角：
- 当光线穿过冰晶时，会在入射面和出射面发生两次折射。
- 对于固定顶角的棱镜（此处顶角α=60°），存在一个特定的入射角，使得光线的总偏向角δ达到最小值，称为最小偏向角（δₘ）。
- 对于冰晶（折射率n≈1.31），60°顶角对应的最小偏向角约为22°（计算式：δₘ = 2i - α，其中i满足折射定律）。
为什么偏向角集中在22°？
- 当冰晶随机取向时，只有那些光线入射方向接近最小偏向角条件的冰晶，才能将阳光高效地折射到观察者眼中。
- 其他入射角的光线偏向角大于22°，且亮度较弱，因此观测到的主要是22°附近的光线。
圆形光环的形成机制
光锥对称性：
- 所有满足最小偏向角条件（δ=22°）的光线，会形成一个以太阳为中心的圆锥面。
- 圆锥的顶角为2×22°=44°（光线与太阳-观察者连线的夹角为22°）。
天空投影为圆形：
- 观察者看到的“光环”实际是这个光锥与天空背景的交线。
- 由于光锥的轴对称性（绕太阳-观察者连线旋转对称），交线必然是一个圆形。
冰晶随机取向的作用：
- 高空冰晶方向是随机的，但只有棱柱轴近似垂直地面（即入射面水平）的冰晶才能将光线折射到人眼。
- 这类冰晶在水平方向均匀分布，保证了光锥在水平面上的投影是完整的圆环。
补充关键点
- 为什么不是其他形状？
- 若冰晶完全定向排列（如全部水平），日晕可能呈现弧形（如太阳位置低时）。但自然条件下冰晶取向足够随机，形成完整圆环。
- 太阳高度的影响：
- 当太阳位于地平线时，日晕是完整的圆环；太阳越高，地平线以下的半圆不可见，观测到的圆弧越短。
- 22°晕 vs 46°晕：
- 46°晕由光线从六边形冰晶的底面射入、侧面射出形成（顶角90°），最小偏向角约46°，形成原理相同。
总结
日晕的圆形本质是几何光学折射规律与概率统计的结果：
六边形冰晶对阳光的折射存在
最小偏向角（22°）；
满足该角度的光线构成以太阳为中心的
圆锥面；
随机取向的冰晶使该圆锥在天空中的投影呈现
完美圆形。
这一现象与彩虹的圆弧形成原理不同（彩虹由水滴反射折射形成，且依赖于观察者位置），但都体现了自然界中光与规则几何结构的奇妙相互作用。
知识扩展：若在极地观察，冰晶可能定向排列形成“幻日”（光斑）或“环天顶弧”（倒彩虹），此时圆形会被打破，进一步验证了冰晶取向的关键作用。
